快速城市化过程中的城市建设用地规模预测方法_刘云刚

第30卷　第7期2011年7月地 理 研 究GEOG RAPH ICAL RESEA RC H V o l .30,N o .7July ,2011 收稿日期:2011-01-08;修订日期:2011-04-29 基金项目:国家自然科学基金项目(40701041);留学回国人员科研启动基金项目;广东省哲学社会科学“十一五”规划项目 作者简介:刘云刚(1973-),男,内蒙古呼和浩特市人,副教授,博士,主要研究方向为城市地理学、政治地理学、地理学理论与方法。

E -m ail :liuy ung @mail .sysu .edu .cn王丰龙(1988-),男,内蒙古赤峰市人,研究生,主要从事城市地理、政治地理和规划理论研究。

E -mail :w fldragon @yahoo .com 快速城市化过程中的城市建设用地规模预测方法刘云刚,王丰龙(中山大学地理科学与规划学院,广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室广州510275)摘要:目前中国城市化进程正处于滞后与低效并存的矛盾局面,合理的城市建设用地规模确定就成为一个焦点。

但是,当前对城市建设用地规模的直接预测和间接预测两类方法都不能很好地处理快速城市化所带来的非线性问题。

本文以快速城市化进程中的部分确定性信息为基础,从目标入手而不再基于历史数据的趋势外推,创建了一种目标导向的、多尺度的城市建设用地规模预测方法。

这种方法包括预测区域总人口、确定城镇体系结构参数和确定城市人口规模与城市建设用地规模之间关系的三大步骤。

基于1997～2008年中国各地级市的数据,构建了非农业人口与城市建设用地之间的截面和面板模型,并运用G L S 等估计方法对模型中的自相关和异方差问题进行了修正,得到一个经验方程。

尽管该方程在推广应用中仍存在一定局限,但相对单纯的人均用地指标更符合现实要求;以驻马店市为例对这种方法的验证也表明,该模型具有可推广的潜力。

关键词:快速城市化;城市建设用地规模;用地预测;齐普夫模型;目标导向文章编号:1000-0585(2011)07-1187-111　引言 目前中国的城市化进程正处于滞后与低效并存的矛盾局面:一方面,由于户籍制度和区域政策的影响,中国的城市化普遍存在滞后现象,尤其是在中西部地区[1～3];另一方面,很多地区也在利用土地批租和规划权限,通过大规模建设新城、开发区等方式推行“跨越式”城市发展战略[4～6],加快城市建设用地扩展[7]。

这其中,土地作为城市经济社会发展的载体及基本要素[8],其合理利用规模的确定就成为一个焦点。

对此,部分学者和规划专家迫于地方领导压力,罔顾现实环境容量和实际发展需求,在规划中盲目扩大建设用地的规模,造成土地的浪费和地方财政的压力;另外一些研究者则对此现象和需求置若罔闻,或是继续闭门“创造”一些脱离实际的预测方法,或是仍旧试图通过调整各种复杂模型的参数来取得预期结果。

显然,这两种思路都有偏颇。

既不能放任这些地区的城市无限扩张而不考虑可持续发展的需要,也不能一味限制落后地区的发展而不顾区域的均衡和公平。

因此,真正需要的是一种简单有效又切合实际的土地利用规模预测方法。

1188　地 理 研 究30卷 纵观目前对城市建设用地规模预测的研究,其核心无非是直接预测和间接预测两类方法。

在直接预测方面,其基本思路是运用以往的土地利用数据和变化特征,假定其符合类似的时间趋势或转换规则,通过拟合模型中的各种参数对未来土地利用进行预测,如指数增长模型[9]、MGM-M arkov模型[10]、灰色GM(1,1)模型[11,12]、ARIM A等时间序列模型以及CA和多智能体方法[13～17]———不过后两种方法在转换/决策规则的确定上往往已经参考了很多其他驱动因素,故并非严格的直接预测;在间接预测方面,主要运用城市建设用地扩张的驱动因素来预测未来的用地规模,如通过预测人口再结合各种用地法规和标准的人均用地指标得到总的用地规模[18,19]、多元统计回归模型[20,21]、神经网络模型[22,23]和遗传支持向量机[24]等。

但是,无论采用线性或非线性模型,这两类方法都必须基于历史数据,因此不可避免地存在如下两方面的不足:默认平均的即理想的,默认历史的即未来的。

在实际拟合过程中,多数研究方法都试图达到误差最小,这固然有其合理性,但也默认了解释力最强的模型即是未来的趋势,这不符合城市化的非线性特征[25～27]。

对于间接方法,这种缺陷同样不可避免。

无论对城市建设用地扩张的驱动因素与城市建设用地规模的相互关系拟合得多么完美,都默认这种历史关系即是将来的趋势,并且将预测误差转移到了人口、GDP和固定资产投资等这些驱动因素的预测上———无论是神经网络和遗传算法中的插值方法[22～24]还是各种人口预测模型[28～33]。

运用上述方法确定采取跨越式发展的城市建设用地规模,要么动力难以解释,要么难以保持整个体系的协调———很可能出现加总后远远超出上一尺度的预测规模。

这已不再是预测方法的问题,而是预测方法论的问题。

实际上,上述跨越式城市发展中存在着一些相对确定的信息,其中最重要的就是未来发展的目标和更大尺度的变化趋势。

前者指制定发展计划时往往会参考实际需求确定一个相对合理的预期城市化水平;后者指采取跨越式发展的往往只是一个城市的城市地区,而整个地区的土地存量、总人口规模等往往变化不大———即使变化很大也可以通过上述方法加以确定。

考虑到城市化的区域差异和自组织特征[31～35],在这种情况下进行人口与用地规模的预测可以只考虑变化的部分、预期的目标和整体的城镇体系结构。

因此,本文试图在综合借鉴前人研究的基础上,从城镇体系的角度,从目标入手而不再基于历史数据的趋势外推[36],来确立快速城市化背景下城市建设用地规模的预测思路,构建一种目标导向的、多尺度的城市建设用地规模预测方法。

2　模型与方法2.1　预测思路 非线性扩张的城市,其城市建设用地难以通过趋势递推来加以预测,但并不等于无章可循。

一方面,从与经济发展水平相适应或是区域发展公平的角度,可以参照全国各地区的城市化水平及其社会经济发展状况,确定相对合理的目标城市化率;另一方面,尽管是跨越式发展,区域内特定的城镇体系结构关系仍然存在,城镇体系内的人口变化也相对稳定(可假定区域内人口迁移处于动态平衡,只受自然增长的影响),城镇体系结构也部分支撑了城市的扩张,因而可以从区域城镇体系的角度预测城市的总人口;全国范围的城市人口规模与其用地规模的关系仍然具有很强的参考意义,可以通过二者的关系最终确定城市建设用地的规模。

这一系列的假设构成了本文的理论框架与逻辑关系(图1),大体包含了预测区域总人口、确定城镇体系结构参数和确定城市人口规模与城市建设用地规模之　7期刘云刚等:快速城市化过程中的城市建设用地规模预测方法1189间关系的三大步骤。

图1　用地预测的理论框架F ig.1　T heo re tica l framew o rk of land use fo reca st2.2　预测步骤与方法 (1)确定所在区域城市人口 首先确定人口受城市化政策影响较小的预测范围(通常选择目标城市的市域)①,假定人口迁移处于动态平衡,则该区域范围内的未来人口可以根据人口自然增长率通过趋势外推或人口容量法进行预测。

在实操中,可以选用资源综合平衡法、可能-满意度法、人口自然增长法、线性回归法、移动平均法、指数平滑法、年龄移算模型、凯菲茨矩阵方程、莱斯利矩阵预测模型、宋健人口发展方程、自回归分布滞后模型、灰色模型、Lo gis-tic模型、Gom pertz模型、共轭梯度法、线性组合模型、生态足迹法、马尔萨斯(Mal-thus)模型、系统动力学方法、人工神经网络预测法、递归网络模型、时间序列方法和非线性动力学模型等多种常用方法。

确定整个市域的预期总人口后,可根据其目标城市化率得到未来的全市城市人口Q0。

这里之所以要从全市范围内进行预测,其原因在于人口在全市尺度的迁移较为稳定,相对更符合只有自然增长的假设,有效降低小区域人口波动带来的误差;同时,从区域角度进行预测也能够防止各县级市只从自身发展角度进行规划而在累加后突破市域的规划指标的情况。

(2)确定研究城镇节点的城市人口 接下来,需要确定整个区域的城镇体系结构以及研究对象在其中所处的等级,这可以用区域各城镇节点的城市人口规模的Zipf模型来加以描述和定位,假设有:P i=P1×R i-q(1)式中,P i是第i位城市的城市人口(或非农业人口)数;P1是规模最大的城市人口;R i是第i位城镇城市人口规模的位序;q是集中指数常数,近似于城镇体系分形维数的①注:为简便起见,这里未考虑人口迁移的影响,如果有明显确定的人口迁移预期,可以进行适当修正而不必扩大到很大的区域范围(如全国),否则城镇体系的结构会发生残缺或突变。

1190　地 理 研 究30卷倒数[37]。

对式(1)两边取对数得:lg P i=lg P1-q lg R i(2) 通过简单的线性回归可得到q的估计值,如果拟合优度较好的话就可以通过该模型分配处于不同位序的城镇节点的城市人口。

一般来说,q值越大,表示城镇体系越不均衡; q为0时所有的城市都具有相同的规模,因此,可以根据未来发展的集聚-均衡倾向对q 值进行微调,再结合步骤(1)中的市域总城市人口,解下述方程求得各城镇的城市人口P i:Q0=∑i P1×R i-q(3) (3)根据城镇人口与城镇建设用地的关系确定研究对象的用地规模 在控制性规划中,根据人均用地指标和总人口数就可以直接确定用地规模。

但是,这种方法受法规限定,存在很大的主观性大和很多争议。

厉伟就曾指出,1980年代末所制定的国家用地标准是在当时全国200多个城市的现状用地的基础上完成的,对这些指标的运用要基于原有用地现状是科学合理的、区域发展差异不大且城市产业结构与功能大体不变的假设之上[38],而这已经被当前的发展所突破,因此,基于人均建设用地定额指标的制度,已经在越来越多的城市规划实践中显示出其不足。

为此,可以根据全国范围内当前的所有城市的城市人口与用地规模之间的关系来确定对应的用地规模。

通常假设两者存在双对数关系:ln Built=a ln P+b+ε(4) 则可以根据当前的各个城市的人口与用地规模确定两者之间的数量关系。

其中Built 表示建成区面积,P表示非农业人口数,a、b为常系数,ε为随机误差。

得到拟合方程后只需将第(3)步预测的城市人口代入(4)式即可得到未来合理的建设用地规模。

为充分利用已有的动态趋势信息和考虑不同阶段的城市化特征,本文选用了面板回归模型。

尽管城市化与城市的经济发展水平也密切相关———经济发展具有很强的“城市化效应”[39,40],可支配收入超过“梯级门槛”的农村居民数量更是影响我国城市化发展的速度、进程的关键变量[41],甚至很多研究还提出工业化、第三产业发展等因素是快速城市化的主要动力[2,42,43],但是,一方面这些指标对于采取赶超式的城市化地区来说并非是主要推动力(更多地以城市化拉动产业结构升级和投资),另一方面这些指标更加难以预测,且地区GDP与非农业人口与用地的关系几乎完全一致(图2、图3),但非农人口数与用地之间的相关性更高,为防止共线性和简化模型,只考虑非农业人口指标,建立如下面板模型:ln Built it=a ln P it+C+ε(5) 用全国范围的人口-用地关系预测目标城市的用地规模基于目标城市符合全国人均水平的假设,由于不同城市的职能、性质和技术水平不同,因而可能潜存很大的偏差[38]。